《AFM》：3D打印多尺度仿生支架用于肌腱再生

【研究背景】

人體組織由細胞及細胞外基質（ECM）構成，考慮到ECM是一個典型的由生物材料構成的多尺度三維微納結構。如能體外仿生構建出類似的生物支架，無疑能大幅提升其在體內(nèi)的再生性能。

EFL團隊報道了一種3D打印的仿生多尺度支架，這種多尺度仿生肌腱（MBT）支架在宏觀、微觀和納米尺度上模擬了肌腱的特征。通過熔融擠出3D打印構建多孔外殼，仿生肌腱腱鞘結構；通過近場直寫3D打印和雜化串晶技術分別構建波紋纖維和Shish-Kebab結構，實現(xiàn)對仿生肌腱波紋狀的微米級膠原纖維結構和納米級的膠原原纖維結構（圖1）的仿生。

MBT支架的抗拉強度高達6.94 MPa，通過纖維上的Shish-Kebab結構和甲基丙烯�；�明膠（GelMA）增強了肌腱干/祖細胞（TSPCs）的粘附和增殖。動物實驗表明，MBT支架可手術縫合于肌腱缺損區(qū)，實現(xiàn)促進肌腱組織的機械轉導，加速肌腱組織的再生。

相關研究以“3D Printing of Multiscale Biomimetic Scaffold for Tendon Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。浙江大學的賀永教授、湖州師范學院的馬志勇副教授和貴州大學的陳躍威副教授為論文共同通訊作者，共同第一作者為姚克博士、呂尚博士和張新杰博士。



圖1 多尺度仿生肌腱支架的多級結構

研究者首先采用MEW技術分別打印收集纖維和卷曲纖維層（圖2（a）（b））。收集纖維直徑為40-60um，作為收集第二層卷曲纖維的基礎。收集纖維被設計成復制肌腱膠原纖維的螺旋結構，提供結構支撐并吸收徑向張力下的變形。卷曲纖維的直徑為5-10um，用于模擬膠原纖維的波浪結構。然后，將支架浸入過飽和PCL/乙酸（HOAc）溶液中，誘導纖維表面形成類似于膠原原纖維螺旋結構的納米雜交Shish-Kebab結構（圖2（c））。隨后研究者通過旋轉打印制備了多孔外殼，然后，將收集和卷曲的纖維卷成管狀，并加入GelMA水凝膠。最終，通過組裝正式支架和外殼結構創(chuàng)建MBT支架，如圖2(e)所示。


圖2 多尺度仿生肌腱支架制造工藝

進一步，研究者研究了MBT支架的力學性能。在外殼支架部分，綜合考慮力學性能及支架的可降解性，旋轉45度作為外殼支架的打印參數(shù)。在核心支架部分，驗證了MBT支架具有的波紋結構，能夠仿生肌腱組織的J型應力-應變曲線特性（圖3（g）），這種卷曲的形態(tài)允許纖維吸收更大的張力，有效地幫助管理相關肌肉或骨骼所施加的機械負荷。


圖3 多尺度仿生肌腱支架的力學性能

研究者發(fā)現(xiàn)，MBT支架所具有的波紋結構，能夠誘導肌腱干細胞延卷曲結構生長，這表明波紋結構微細胞提高拓撲引導，誘導細胞在體外構建類似體內(nèi)的卷曲結構。同時通過CCK8實驗，研究者也驗證了納米Shish-Kebab結構和GelMA水凝膠可以顯著促進細胞粘附和增殖，從而進一步改善TSPCs功能和組織重塑（圖4）。


圖4 多尺度仿生肌腱支架誘導TSPCs定向生長         

不僅如此，研究者證實了MBT支架能夠顯著促進TSPCs在體外的一型膠原蛋白、BGN和DCN的功能性表達，這證明了多尺度仿生支架在體外構建肌腱ECM中的有效性，對進一步作為組織替代品的應用具有重要意義（圖5）。


圖5 多尺度仿生肌腱支架有效支持TSPCs的功能性表達

最后，研究者構建了兔全層肌腱損傷模型，將MBT支架縫合至肌腱缺損處，進一步評估MBT支架促進肌腱再生的作用。實驗結果表明，MBT支架在早期愈合過程中可以促進肌腱再生；相較于對照組，實驗組有更致密的膠原沉積，并呈現(xiàn)與實際組織相似的波紋結構；并且在12周時，實驗組具有較少的CD31+區(qū)域，表明炎癥細胞和血管減少，具有更好的修復效果。這些結果表面，與對照組相比，MBT支架在促進肌腱缺損快速再生方面具有更好的效果。


圖6 多尺度仿生肌腱支架能有效促進兔肌腱的結構和功能再生


文章來源：   

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202413970